张令
南京市市政设计研究院有限责任公司 210008
摘要：以滨海平原地区某污水处理厂全地下式水池—高效沉淀池为工程实例，阐述了沉井结构设计的计算内容和计算过程，并通过对该工程的总结及提炼，提出了几点建议。
关键词：沉井 高效沉淀池 结构设计
1、概述
沉井按材料分，主要有钢筋混凝土沉井、混凝土沉井、钢壳沉井、圬工沉井等。本文论述的是钢筋混凝土沉井，是指在地面制作好构筑物井筒，然后从内部取土，使构筑物在井筒自重及其他辅助措施作用下下沉至预定标高，最后进行封底、底板及内隔墙浇注。
2、工程概况
拟建工程为滨海平原某污水处理厂高效沉淀池，采用钢筋混凝土沉井结构，全地下式，平面呈“凸”字状，尺寸为13.25mx23.1m+6.3mx19.5m，沉井顶至刃脚底总高度为11.6m。设计采用C30（P8）混凝土，HRB400钢筋。
3、地质条件
根据《工程地质勘察报告》，工程场地自上而下土层简述如下：①素填土、②粉质粘土、③淤泥质粉质粘土、③A砂质粉土、③B粉质粘土。地下水位较高，约位于自然地坪下1.5米处，③层及以上以孔隙潜水为主，③A层砂质粉土具微承压性。土层的主要物理性质指标见表1。
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注：fak为地基承载力特征值，M为沉井外壁与土体的单位摩阻力。
根据地勘，场地土地质条件较为复杂，沉井深度范围内有深厚软土地层分布，该层土具有高含水率、高压缩性、大孔隙比、高灵敏度、低强度特性，并具有一定的流变与触变特征。
4、沉井设计
沉井结构设计内容较为复杂，具体来说应有以下几方面的计算。
4.1几何尺寸确定
几何尺寸确定需满足四个“必须”：（1）必须满足工艺专业确定的净空尺寸；（2）必须实现沉井顺利下沉至设计标高；（3）必须确保下沉阶段及运行阶段池体强度及裂缝要求。
整个计算过程具有联动性，需要反复试算来确定结构几何尺寸。最终确定结构布置如图1所示。
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4.2沉井下沉稳定性验算
根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（ECS137：2015）(后简述为《规程》)第6.1.2章节，沉井下沉系数应满足下式要求：
kst≥1.05
kst=（Gik-Ffw,k）/Ffk
式中：沉井自重标准值Gik=18586.31kN，水浮托力标准值Ffw,k=6203.7kN,摩阻力标准值的加权平均值fk=11.56kPa，总摩阻力标准值Ffk=6084.55 kN，下沉系数kst=1.702＞1.05，下沉满足要求。下沉系数kst＞1.5，应验算下沉稳定性。
根据《规程》6.1.3条，沉井下沉稳定系数应满足：
kst,s=0.8~0.9
kst,s=（Gik-Ffw,k）/（Ffk’+Rb）
沉井刃脚、底梁及隔墙下地基土的极限承载力之和Rb=17557.8kN。通过计算kst,s =0.44，满足下沉稳定性要求。
4.3抗浮验算
根据《规程》6.1.4条，沉井抗浮系数应满足下式：
kfw≥1.00（不计侧壁摩阻力）
kfw=Gik/Ffwb
沉井抗浮应按封底阶段和使用阶段，分别根据实际情况进行验算。
4.3.1封底阶段抗浮验算
在反复的截面试算过程中，封底抗浮验算是联动性计算一个必不可少的过程。一般情况下，可以通过增加壁厚及封底素砼厚度等措施解决抗浮系数偏小问题。本次设计通过抬高局部区域底板标高，增加封底重量提高抗浮系数，使其满足规范要求。
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计算过程如下：
底板同一标高设计，封底后沉井自重标准值Gik=31586.37kN，水浮托力Ffw,k=33885.08kN，封底抗浮系数=0.932，抗浮验算不满足；
底板分区域错层设计，封底增加重量为G0=4065.35KN，封底后沉井自重标准值Gik=35651.72kN，水浮托力Ffw,k=33885.08kN，封底抗浮系数kfw =1.052≥1.0，验算满足。
4.3.2使用阶段抗浮验算
完建使用阶段，构筑物自重标准值与封底时构筑物自重标准值相比较的增量△Gik包括底板重，顶板、顶梁以及走道板、水渠重，二次浇注的内隔墙重，还包括二次浇筑的素砼重四部分组成。△Gik =18933.28kN，此时，Gik=54585kN，水浮托力Ffw,k=43321.43kN，抗浮系数kfw =1.26≥1.0，验算满足。
4.4地基承载力验算
使用阶段构筑物自重Gi=54585kN，池内水重Gw=17891.74 kN，结构自重G=Gi+Gw=72476.74 kN，基底压力qk=169kPa。
修正后地基承载力特征值fa=177kPa＞qk=169 kPa，验算满足。
4.5内力分析及计算
4.5.1壁板配筋计算
沉井下沉阶段可将井壁视为水平封闭框架结构，下沉至设计标高，未浇筑底板混凝土前为壁板受力的最不利工况，此时外侧水土压力作用于井壁上产生最大水平内力。如图3、图4所示，分别计算该阶段井壁各段的线刚度（i1,i2,i3......）以及水土压力作用下产生的弯矩，并将弯矩按照线刚度分配，达到弯矩平衡，最后根据井壁各段的支座及跨中弯矩进行配筋计算。
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图中，qs为井壁外侧水土压力值；A、B、C……为节点编号；1、2、3……为构件编号；i1、i2、i3……为构件相对线刚度。
通过计算，最大支座（构件1 A节点处/构件28 R节点处）弯矩标准值为Mk1=1163.02kN*m/m，设计值M1=1477.04kN*m/m，配筋采用φ28@100；最大跨中弯矩（构件1跨中处/构件16跨中处）标准值为Mk2=641.66kN*m/m，设计值M2=814.91kN*m/m，配筋采用φ28/φ22@100。
另外，使用阶段由于工艺运行和检修的需要，还应计算沉井内各区格盛水或放空等各种组合工况下壁板的弯矩，并按照线刚度分配后进行配筋计算。同时该构筑物作为永久性储水构筑物，还应对结构构件的裂缝宽度进行计算，污水构筑物裂缝宽度限值取值0.2mm。
4.5.2底梁配筋计算
沉井下沉过程中，采用带底梁下沉。根据《规程》，利用底梁作用防止沉井突沉，应对底梁进行下沉阶段的强度验算。梁下地基反力值取地基土极限承载力值Pu=140kPa。
同时，底梁作为底板支座，在使用阶段还应计算底板净反力传递的荷载算出的底梁支座和跨中弯矩，并以此对底梁进行配筋。
4.5.3底板配筋计算
沉井底板与井壁间的连接视为铰接，作用在底板上的反力可假定按直线分布，其值可取底板最大净反力。底板最大跨中弯矩标准值Mk3=136.5kN*m，设计值M3=173.4kN*m，配筋采用φ20@150。
5 结语
通过对该工程案例的计算与分析，沉井结构设计应注意以下问题：
1、埋深深、地下水位高，往往抗浮不满足设计要求，封底混凝土的自重可以作为沉井抗浮重量的一部分。在封底混凝土中预埋一定量的抗浮钢筋，确保与底板间连接可靠。此方式可根据构筑物本身的特点，灵活运用。
2、深厚软土地区沉井，可利用设置底梁，增大沉井下沉过程中与土接触面积，起到防止突沉作用。
3、内力计算应分别考虑下沉工况、使用工况的构件受力分析，并按包络法进行设计，需同时满足强度及裂缝宽度限值要求。
参考文献
[1]给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程（CECS 137:2015）
[2]葛春辉.钢筋混凝土沉井结构设计施工手册[M].中国建筑工业出版社，2004
[3]给水排水工程结构设计手册.（第二版）.中国建筑工业出版社，2006
[4]陈劭凯，陈庆丰，吴刚. 某污水处理厂提升泵房沉井结构设计浅析[J]. 特种结构，2011,6；47-49